传感器分类及其噪声问题解决技术

传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定了遥感优劣。传感器的种类很多，对于不同波段，设计的传感器也不同。而且传感器有成像和非成像之分。对于可见光遥感，传感器最大的进展，就是由过去的胶片时代发展到今天的CCD和CMOS时代。今天我们使用的数码相机、手机上的摄像功能，背后离不开核心器件CCD与CMOS。而CCD与CMOS发展历史并不长。

CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）是一种半导体器件，能够把光学影像信号直接转化为电信号，抛去了过去把光信号转换为化学影像信号的胶片感光法。它是美国贝尔实验室的维拉·波义耳和乔治·史密斯于1969年发明的。CCD使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，再通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存。即将光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，这样可对被测物体进行准确的测量、分析。

CCD可直接将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。它具有体积小、重量轻、功耗小、灵敏度高和响应速度快等特点。CCD被广泛应用于数码摄影、天文学、光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术等领域。

50年来，CCD器件（图3-2）及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

图3-2　CCD器件

2009年，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将诺贝尔物理学奖项授予中国香港科学家高锟和两名科学家维拉·波义耳（Willard S.Boyle）、乔治·史密斯（George E.Smith）。高锟因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”而获奖，科学家波义耳和乔治·史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷耦合器件图像传感器CCD”获此殊荣。

另外一种感光器件是互补金属氧化物半导体CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），是电压控制的一种放大器件，也是组成CMOS数字集成电路的基本单元，如图3-3。CMOS制造工艺常常被应用于制作数码影像器材的感光元件，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像信号转变为数字信号输出。

图3-3　CMOS互补金属氧化物半导体

CMOS与CCD图像传感器光电转换的原理相同，它们最主要的差别在于信号的读出过程不同：由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。(www.xing528.com)

从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上的，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括Micron、CMOSIS、Cypress等。

在速度方面，CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500f/s以上的高速相机都是CMOS相机。此外，CMOS的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。在噪声方面，CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

维拉·斯特林·波义耳（Willard Sterling Boyle，1924年8月19日—2011年5月7日），加拿大物理学家，激光技术领域的先驱和电荷耦合器（CCD）的共同发明人。他发明的CCD传感器，已成为当今社会几乎所有摄影领域的电子眼。

波义耳出生于加拿大新斯科舍省，是一名医生的儿子，当他不到两岁的时候，他和他的父亲、母亲伯尼斯搬到了魁北克。在14岁之前，波义耳仅仅在家里接受母亲教育，后来在蒙特利尔完成了他的第二个学业。波义耳曾就读于麦克吉尔大学，但他的教育因为第二次世界大战在1943被中断，随后加入了加拿大皇家海军，1950年 获麦克吉尔大学博士学位。在接受博士学位后，波义耳在加拿大的辐射实验室待了一年，在加拿大皇家军事学院教了两年物理。1953年，波义耳加入贝尔实验室，在那里他与尼尔森在1962年发明了第一个连续运行的红宝石激光器。1962年，波义耳担任空间科学与探测实验室主任，为阿波罗太空计划提供支持，并帮助选择月球着陆点。1964年，回到贝尔实验室，致力于集成电路的发展。

1969年，波义耳和George E.Smith发明了电荷耦合器件（CCD），他们在1973年共同获得了富兰克林研究院科学博物馆的斯图尔特巴伦坦奖章、1974年IEEE莫里斯·利伯曼纪念奖、2006年查尔斯斯塔克德雷珀奖和2009年诺贝尔物理学奖。因为CCD的发明，美国航空航天局才能从太空向地球发送清晰的照片；因为CCD的发明，今天的数码相机才风靡世界。史密斯谈到他们的发明时说：“在制作了第一对成像设备之后，我们确实知道化学摄影已经死亡。”

波义耳是贝尔实验室1975年的执行董事，直到1979年退休。1946年波义耳与贝蒂结婚，有4个孩子。波义耳晚年患肾病，2011年5月7日在新斯科舍省去世。

史密斯（George Elwood Smith），生于1930年5月10日，美国科学家，应用物理学家，CCD的发明者。2017年，史密斯因为对数字成像传感器的发明创造做出贡献，而获得伊丽莎白女王奖。

史密斯出生于纽约怀特普莱恩斯。史密斯在美国海军服役，随后于1955在宾夕法尼亚大学获得学士学位，1959年在芝加哥大学获得博士学位，论文仅为8页。从1959年到1986年退休，他在新泽西贝尔实验室工作。在任职期间，史密斯获得了数十项专利，最终领导了超大规模集成电路设备部门。

波义耳和史密斯都是热心的水手，他们一起旅行了很多次。退休后，史密斯和珍妮特一起环游世界17年，直到2003年放弃。2015年，史密斯获得了皇家摄影学会的进步勋章和荣誉奖学金。